CN108993622B - 一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片 - Google Patents

一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，该微流控芯片通过两个单独的T形结构在线生成液滴对，通过稀释结构调节在线生成液滴对的运动速度，最终实现在线生成液滴对在下游T形结构处的碰撞。微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；盖片和基片的材质相同，均为PDMS，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及微流控芯片整体结构的稳定键合；由于PDMS材质本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，离散相为水或气体，离散相为水时生成的产物为液滴，离散相为气体时生成的产物为气泡。本发明重点针对液滴进行阐述，但是同样适用于气泡的生成以及碰撞。

Description

一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片，利用通道结构引导在线生成的液滴运动，以实现不同大小或速度等组合的液滴对的相遇碰撞。
背景技术
微液滴技术是微流控技术的重要分支之一，近年来得到迅速发展。以液滴为基础的微流控技术具有试剂消耗少、实验效率高、流通量大、互相干扰少等优点，以液滴为运输体或反应器可以实现试剂加载、即时反应以及在线观测等功能。
液滴碰撞融合是一项非常重要的液滴控制技术，通过液滴这一独立单元来实现试剂按需添加，可以广泛应用于试剂混合、粒子合成、复合材料制备、DNA与血液分析、食品检测等领域。液滴融合方式可以分成主动融合和被动融合两种。其中，主动方式需要外加电场或振动等外部能量源，而被动方式通过调节通道结构或表面性质等来实现无外加能量场条件下的融合。根据现有液膜排液原理可知，当两个液滴逐渐接近时，两液滴之间的连续相被挤压排走；当液滴之间的液膜厚度降低达到临界值后，两相界面变得不稳定同时范德华力开始驱使液滴融合。研究发现液滴碰撞融合存在临界毛细数，超过该临界值后，两液滴在交汇处接触排液的时间无法满足液膜降低到不稳定厚度所需要的时间，两液滴也就无法实现融合。通常一对碰撞的液滴由两个生成结构来单独生成，这种方式中的液滴生成频率难以得到控制来保证液滴对的稳定相遇，因此液滴在交汇结构相遇时可能会存在到达时间差，影响液滴对碰撞的行为。因此，需要设计一种芯片能够实现液滴对不同大小或速度的组合，以研究微液滴的碰撞行为和特性。
发明内容
本发明的目的在于设计了一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，该微流控芯片通过两个单独的T形结构在线生成液滴对，通过稀释结构调节在线生成液滴对的运动速度，最终实现在线生成液滴对在下游T形结构处的碰撞。
微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；盖片和基片的材质相同，均为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及微流控芯片整体结构的稳定键合；由于PDMS材质本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，离散相为水或气体，离散相为水时生成的产物为液滴，离散相为气体时生成的产物为气泡。本发明重点针对液滴进行阐述，但是同样适用于气泡的生成以及碰撞。
离散相为水时，所有微通道结构都设置在盖片上直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的封闭空间为流体流动的区域。微流控芯片两侧的液滴生成和稀释结构是轴对称的，两侧通入液体的种类也是对称相同的。
两个单独的T形结构分别为第一T形结构和第二T形结构，第一T形结构和第二T形结构对称布设，第一T形结构和第二T形结构之间通过T形交汇结构C连接。
第一T形结构包括第一连续相入口1、第一离散相入口2和第一稀释入口3；第一连续相入口1和第一离散相入口2并列布设，第一连续相入口1和第一离散相入口2的交点为第一T形生成结构A1，第一T形生成结构A1与第一T形结构的主体结构垂直连接；第一稀释入口3通过第一稀释结构B1与第一T形结构的主体连接。
第二T形结构包括第二连续相入口4、第二离散相入口5和第二稀释入口6；第二连续相入口4和第二离散相入口5并列布设，第二连续相入口4和第二离散相入口5的交点为第二T形生成结构A2，第二T形生成结构A2与第二T形结构的主体结构垂直连接；第二稀释入口6通过第二稀释结构B2与第二T形结构的主体连接。
第一T形结构的主体和第二T形结构的主体的连接处为T形交汇结构C。
第一T形结构中，微流控芯片工作时，离散相从第一离散相入口2通入，连续相分别从第一连续相入口1和第一稀释入口3通入；互不相溶的两种离散相和连续相流体在第一T形生成结构A1处相遇，在一定的流速范围内，连续相稳定地将离散相挤断成离散的并且均匀的液滴，通过调节两相流量来控制液滴的生成大小和间隔频率。生成后的液滴在微通道的引导下流向第一稀释结构B1，通过稀释流量的大小调节液滴的运动速度，第一稀释结构B1为等间距的矩形柱状结构；矩形柱的间距为主通道宽度的一半或更小，防止液滴流入到矩形柱之间。
对于第二T形结构中，离散相从第二离散相入口5流入，与从第二连续相入口4流入的连续相在第二T形生成结构A2相遇，液滴大小和频率的调节方法和第一T形结构中相同；液滴流经下游第二稀释结构B2时，从第二稀释入口6流入的连续相调节液滴的流速。生成后的液滴在微通道的引导下流向第二稀释结构B2，通过稀释流量的大小调节液滴的运动速度，第二稀释结构B2为等间距的矩形柱状结构；矩形柱的间距为主通道宽度的一半或更小，防止液滴流入到矩形柱之间。
两侧生成的液滴对在通道的引导下继续流向下游，在T形交汇结构C处相遇，实验观察到的碰撞包括三种结果：不接触、融合和断裂。
最终液滴通过出口7流出微流控芯片，T形交汇结构C与出口7之间设置了蛇形弯管，是为了稳定液滴流出微流控芯片时通道内的压力变化，减少对液滴碰撞造成影响。
本发明提供的微流控芯片通过两侧单独生成结构得到液滴大小，两侧单独稀释结构调节液滴速度，可以实现相等大小和流速、不同大小或流速等组合的液滴对的碰撞，满足了微通道结构中该类液滴对融合特性的研究。
附图说明
图1是本发明微流控芯片中通道结构的俯视图。
图2是本发明微流控芯片在实验中观察到的三种碰撞结果，a为不接触，b为融合，c为断裂。
图中：1、第一连续相入口，4、第二连续相入口，2、第一离散相入口，5、第二离散相入口，3、第一稀释入口，6、第二稀释入口，7、出口；A1、第一T形生成结构，A2、第二T形生成结构，B1、第一稀释结构，B2、第二稀释结构，C、T形交汇结构。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片的工作过程和作用效果进行详细说明。具体工作过程如下：
微流控芯片整体由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；盖片和基片的材质均为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及芯片整体结构的稳定键合；由于PDMS材质本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，离散相可以是水或气体，生成的产物分别对应为液滴或气泡。本发明重点针对液滴进行阐述，但是同样适用于气泡的生成以及碰撞。
微通道结构设置在盖片上直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的封闭空间为流体流动的区域。芯片两侧的液滴生成和稀释结构是轴对称的，两侧通入液体的种类也是对称相同的。如图1所示，工作时，对于左侧结构，离散相从第一离散相入口2通入，连续相分别从第一连续相入口1和第一稀释入口3通入；互不相溶的两种流体在第一T形生成结构A1相遇，连续相将离散相挤断成离散化的液滴，通过调节两相流量来控制液滴的大小和频率，使液滴保持稳定生成模式；生成后的液滴在微通道的引导下流经第一稀释结构B1，调节液滴的运动速度。对于右侧结构，离散相从第二离散相入口5通入，连续相分别从第二连续相入口4和第二稀释入口6通入；通过调节液体流速，第二T形生成结构A2稳定生成均匀的离散液滴，并通过第二稀释结构B2调节液滴速度。两侧生成的液滴对通过通道的引导在T形交汇结构C相遇，实验观察到的碰撞包括三种结果：不接触、融合和断裂，分别如图2所示。
最终液滴通过出口7流出芯片，为了稳定液滴流出芯片时通道内的压力变化，减少对液滴碰撞造成影响，T形交汇结构C与出口7之间设置了蛇形弯管。

Claims (5)

1.一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，其特征在于：该微流控芯片通过两个单独的T形结构在线生成液滴对，通过稀释结构调节在线生成液滴对的运动速度，最终实现在线生成液滴对在下游T形结构处的碰撞；
微流控芯片由盖片和基片配合组成，盖片和基片不可逆地键合在一起；
离散相为水时，所有微通道结构都设置在盖片上直接接触基片的一侧，盖片和基片中间形成的封闭空间为流体流动的区域；微流控芯片两侧的液滴生成和稀释结构是轴对称的，两侧通入液体的种类也是对称相同的；
两个单独的T形结构分别为第一T形结构和第二T形结构，第一T形结构和第二T形结构对称布设，第一T形结构和第二T形结构之间通过T形交汇结构(C)连接；
第一T形结构包括第一连续相入口(1)、第一离散相入口(2)和第一稀释入口(3)；第一连续相入口(1)和第一离散相入口(2)并列布设，第一连续相入口(1)和第一离散相入口(2)的交点为第一T形生成结构(A1)，第一T形生成结构(A1)与第一T形结构的主体结构垂直连接；第一稀释入口(3)通过第一稀释结构(B1)与第一T形结构的主体连接；
第二T形结构包括第二连续相入口(4)、第二离散相入口(5)和第二稀释入口(6)；第二连续相入口(4)和第二离散相入口(5)并列布设，第二连续相入口(4)和第二离散相入口(5)的交点为第二T形生成结构(A2)，第二T形生成结构(A2)与第二T形结构的主体结构垂直连接；第二稀释入口(6)通过第二稀释结构(B2)与第二T形结构的主体连接；
第一T形结构的主体和第二T形结构的主体的连接处为T形交汇结构(C)；
第一T形结构中，微流控芯片工作时，离散相从第一离散相入口(2)通入，连续相分别从第一连续相入口(1)和第一稀释入口(3)通入；互不相溶的离散相和连续相两种流体在第一T形生成结构(A1)处相遇，在一定的流速范围内，连续相稳定地将离散相挤断成离散的并且均匀的液滴，通过调节两相流量来控制液滴的生成大小和间隔频率；生成后的液滴在微通道的引导下流向第一稀释结构(B1)，通过稀释流量的大小调节液滴的运动速度，第一稀释结构(B1)为等间距的矩形柱状结构；矩形柱的间距为主通道宽度的一半或更小，防止液滴流入到矩形柱之间；
对于第二T形结构中，离散相从第二离散相入口(5)流入，与从第二连续相入口(4)流入的连续相在第二T形生成结构(A2)相遇，液滴大小和频率的调节方法和第一T形结构中相同；液滴流经下游第二稀释结构(B2)时，从第二稀释入口(6)流入的连续相调节液滴的流速；生成后的液滴在微通道的引导下流向第二稀释结构(B2)，通过稀释流量的大小调节液滴的运动速度，第二稀释结构(B2)为等间距的矩形柱状结构；矩形柱的间距为主通道宽度的一半或更小，防止液滴流入到矩形柱之间。
2.根据权利要求1所述的一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，其特征在于：两侧生成的液滴对在通道的引导下继续流向下游，在T形交汇结构(C)处相遇，实验观察到的碰撞包括三种结果：不接触、融合和断裂。
3.根据权利要求1所述的一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，其特征在于：液滴通过出口(7)流出微流控芯片，T形交汇结构(C)与出口(7)之间设置了蛇形弯管。
4.根据权利要求1所述的一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，其特征在于：盖片和基片的材质相同，均为PDMS，以保证流体流动时四周接触的壁面材质相同以及微流控芯片整体结构的稳定键合；由于PDMS材质本身是亲油疏水的，所以PDMS制得的微流控芯片使用时连续相是油，离散相为水或气体。
5.根据权利要求4所述的一种实现不同组合液滴对碰撞的微流控芯片，其特征在于：离散相为水时生成的产物为液滴，离散相为气体时生成的产物为气泡。
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